JP7261741B2 - A detection sensor comprising a selective high electron mobility transistor for detecting gaseous or liquid components - Google Patents

A detection sensor comprising a selective high electron mobility transistor for detecting gaseous or liquid components Download PDF

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Description

本発明は、ガス状または液体混合物中に存在する特定の成分を検出または測定するためのセンサに関し、センサは、高電子移動度トランジスタを有する収集セルを備える。 The present invention relates to a sensor for detecting or measuring specific constituents present in gaseous or liquid mixtures, the sensor comprising a collection cell with a high electron mobility transistor.

頭字語ＨＥＭＴとしても知られる高電子移動度トランジスタは、ソースと、ドレインとを備え、ゲートがソースとドレインとの間に挿入されている。収集セルの動作は、ゲートである制御電極の静電作用による、ソースおよびドレインである２つのオーミック接触間の導電性に基づいている。 A high electron mobility transistor, also known by the acronym HEMT, comprises a source and a drain with a gate interposed between the source and the drain. The operation of the collection cell is based on the electrical conductivity between two ohmic contacts, the source and the drain, due to the electrostatic action of the control electrode, the gate.

以下では、自動車の排気ラインによって内燃機関から排出された排気ガス中に存在する汚染要素を選択的に検出するためのセンサとして、本発明によるセンサの好ましい用途を開発する。この用途は、本発明を限定するものではない。 In the following, a preferred application of the sensor according to the invention is developed as a sensor for selectively detecting pollutants present in the exhaust gas discharged from an internal combustion engine by the exhaust line of a motor vehicle. This application is not a limitation of the invention.

車両からの排気ガスには多数の化学成分が含まれていることが知られており、その一部は人の健康に、一部は環境に有害である。これらの汚染物質を環境および健康のために制限するために、これらの化学成分の測定および／または検出のための規制がヨーロッパ、米国および日本で導入されている。 Exhaust gases from vehicles are known to contain a number of chemical constituents, some of which are harmful to human health and some to the environment. In order to limit these pollutants for the environment and health, regulations have been introduced in Europe, USA and Japan for the measurement and/or detection of these chemical constituents.

これらの危険な化学成分の一部を形成する窒素酸化物（以下、それらの化学式ＮＯＸと表記する）に関しては、排出制限がますます厳しくなり、ＮＯ、ＮＯ２、Ｎ２Ｏなどを含む異なる窒素酸化物には特異的であるかもしれないが、ＮＯＸは、全体的に現在規制されている。 With respect to nitrogen oxides (hereinafter referred to as their chemical formula NOX ) , which form part of these hazardous chemical constituents , emission limits are becoming increasingly stringent and different Although it may be specific to nitrogen oxides, NOx is currently regulated globally.

車両の排気ガスに現在使用されているセンサは、ラムダプローブとしても知られるＮＯＸセンサおよびＯ２プローブである。それらは、固体電解質の動作原理とネルンストの法則に基づいており、かつイットリウムドープ酸化ジルコニウムに基づいている。 The sensors currently used for vehicle exhaust emissions are NO X sensors and O 2 probes, also known as lambda probes. They are based on the operating principle of solid electrolytes and Nernst's law and are based on yttrium-doped zirconium oxide.

これらのＮＯＸセンサは、異なるガス間で選択的ではなく、ガスＮＯ２、ＮＯ、Ｎ２Ｏ、ＮＨ３に対応する全体の濃度を検出する。さらに、それらの応答時間は長く、これらのセンサは比較的高価である。 These NOx sensors are not selective between different gases and detect overall concentrations corresponding to the gases NO2 , NO, N2O , NH3 . Furthermore, their response time is long and these sensors are relatively expensive.

光学センサ、金属酸化物センサ、音響センサ、重力センサなどのような他の異なるガスセンサ技術が存在する。しかし、現在のところ、Ｏ２、Ｈ２、ＮＯ２、ＮＯ、Ｎ２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ２などの異なるガス状種において、車両の排気システム環境に耐性があり、選択的である高感度、高速、低コストのセンサは存在しない。 Other different gas sensor technologies exist, such as optical sensors, metal oxide sensors, acoustic sensors, gravity sensors, and so on. However, at present, high sensitivity, which is tolerant and selective in the vehicle exhaust system environment, in different gaseous species such as O2 , H2 , NO2 , NO, N2O , CO, CO2, etc. Fast, low cost sensors do not exist.

それ故、ガス間で選択的な新世代のセンサが規制のこの発展に従うために必要である。さらに、アンモニアまたはＮＨ３の濃度とＮＯ／ＮＯ２比とを別々に決定することを可能にするセンサは、略称ＳＣＲとしても知られる選択的触媒還元システムの規制を改善することを可能にし、最初に尿素系混合物の形態で還元剤が分解することから生じるＮＨ３の注入によってＮＯＸを低減する。 Therefore, a new generation of sensors selective between gases is needed to comply with this development of regulations. Furthermore, sensors that allow separate determination of the concentration of ammonia or NH3 and the NO/ NO2 ratio make it possible to improve the regulation of selective catalytic reduction systems, also known as SCR for short, initially NOx is reduced by the injection of NH3 resulting from decomposition of the reductant in the form of a urea-based mixture.

これに関連して、窒化物（ＩＩＩ－Ｎ）半導体に基づくガスセンサの開発に関して研究が行われてきた。ＩＩＩ－Ｎ材料をベースとする半導体は、禁制帯が広い材料であり、これはガスセンサ用途に対する関心を持たせる。それらの熱安定性およびそれらの高い絶縁破壊電圧は、例えば自動車用の排気ラインおよび／または内燃機関に当てはまる高温用途にセンサを適したものにする。 In this connection, research has been conducted on the development of gas sensors based on nitride (III-N) semiconductors. Semiconductors based on III-N materials are wide bandgap materials, which makes them interesting for gas sensor applications. Their thermal stability and their high breakdown voltage make the sensors suitable for high temperature applications, such as those found in automotive exhaust lines and/or internal combustion engines.

センサを使用したそのような排気ガスの測定は、本質的な利点をもたらす。実際、排気ガスの環境は、遭遇する高温の観点から非常に強調されている。 Such exhaust gas measurement using sensors offers substantial advantages. In fact, the environment of the exhaust gas is highly emphasized in view of the high temperatures encountered.

電気接点を取り除くことにより、必要なコネクタに関連するコストの制約を回避することが可能になる。さらに、高温環境におけるこれらのコネクタの性能は、温度に関して制限要因となる可能性があり、センサ自体の機能ではない。 Eliminating the electrical contacts makes it possible to avoid cost constraints associated with the required connectors. Additionally, the performance of these connectors in high temperature environments can be a limiting factor with respect to temperature and not a function of the sensor itself.

センサは、液体環境またはアクセスが困難な環境でも動作することができ、液体含有量の測定も可能にし得る。これはまた、もはやコネクタを必要としないセンサの容積を減らすことを可能にする。 The sensor can operate in liquid environments or environments that are difficult to access, and may also allow measurement of liquid content. This also makes it possible to reduce the volume of sensors that no longer require connectors.

しかしながら、液体またはガス状混合物中の成分を測定および／または検出するためのセンサは、特にこの成分単独に関連する必要がある、検出される成分の選択性に関して改善することができる。 However, sensors for measuring and/or detecting a component in a liquid or gaseous mixture can be improved with respect to the selectivity of the detected component, which in particular has to be related to this component alone.

米国特許出願公開第２０１３／０２８８３７８号明細書は、化学的環境において１つまたは複数の成分を検出および測定するために使用される１つまたは複数のセンサを開示している。この１つまたは複数のセンサは、二次元電子ガスを含む界面領域を含む半導体構造に基づいている。成分（単数または複数）と反応する触媒を、半導体構造と接触させる。触媒によって１つまたは複数の成分から除去された粒子は、触媒と構造との間の界面で半導体構造の表面を不動態化し、触媒付近のガス中の電荷密度の変化を引き起こす。 US Patent Application Publication No. 2013/0288378 discloses one or more sensors used to detect and measure one or more constituents in a chemical environment. The one or more sensors are based on a semiconductor structure that includes an interfacial region containing a two-dimensional electron gas. A catalyst that reacts with the component(s) is brought into contact with the semiconductor structure. Particles removed from one or more components by the catalyst passivate the surface of the semiconductor structure at the interface between the catalyst and the structure, causing a change in charge density in the gas near the catalyst.

この基本構造が高電子移動度トランジスタまたはショットキーダイオードなどの電子装置に組み込まれると、電荷密度の変化は、装置の電気応答の変化として現れる。例えば、高電子移動度トランジスタでは、電荷密度の変化は、トランジスタを通る電流の変化の形で現れ、ショットキーダイオードでは、電荷密度の変化は、静電容量の変化の形で現れる。他方、この文献は、そのような装置によって成分を具体的に検出することがいかに可能であろうかを開示も示唆もしていない。 When this basic structure is incorporated into electronic devices such as high electron mobility transistors or Schottky diodes, changes in charge density manifest themselves as changes in the electrical response of the device. For example, in high electron mobility transistors, changes in charge density manifest themselves in the form of changes in current through the transistor, and in Schottky diodes, changes in charge density manifest in the form of changes in capacitance. On the other hand, this document does not disclose or suggest how it would be possible to specifically detect components with such a device.

したがって、本発明の基礎を形成する問題は、ガス状または液体混合物中に含まれる成分を検出および／または測定するためのセンサに関し、センサは、高電子移動度トランジスタを有する収集セルを備え、ガス状または液体混合物中に存在する他の異なる成分に関して選択的にこの成分含有量を正確に検出および／または測定する。 The problem forming the basis of the present invention therefore relates to a sensor for detecting and/or measuring constituents contained in a gaseous or liquid mixture, the sensor comprising a collection cell with a high electron mobility transistor and a gas This component content is accurately detected and/or determined selectively with respect to other different components present in the liquid mixture.

この目的を達成するために、ガス状または液体混合物中に存在するいくつかの成分の中から少なくとも１つの特定の成分を検出または測定する方法は、ソースと、ドレインとを備え、ゲートがソースとドレインとの間に挿入される高電子移動度トランジスタを有する少なくとも１つの収集セルを備えるセンサによって本発明に従って提供され、ドレイン－ソース間電圧が印加され、収集セルの電流強度が記録され、ドレイン－ソース間電圧は、駆動されて電流強度を変化させ、電圧は、前記少なくとも１つの特定の成分の強度特性を有するプロファイルを供給するために実験によって予め決定された電圧モデルに従って駆動されることを特徴とする。 To this end, a method for detecting or measuring at least one specific component among several components present in a gaseous or liquid mixture comprises a source and a drain, a gate being the source and a drain. provided according to the invention by a sensor comprising at least one collection cell having a high electron mobility transistor interposed between the drain and the drain-to-source voltage is applied, the current intensity of the collection cell is recorded and A source-to-source voltage is driven to vary the current intensity, the voltage being driven according to an empirically predetermined voltage model to provide a profile having intensity characteristics of said at least one particular component. and

技術的効果は、異なるドレイン－ソース間電圧によって、検出される特定の成分に対する選択性を大幅に改善することを可能にするセンサまたはセンサのアセンブリを得ることである。本発明による方法は、現在の方法、特にはるかに長い応答時間を必要とする温度でのサイクルと比較して非常に有利である。 The technical effect is to obtain a sensor or assembly of sensors that allows a significantly improved selectivity to a particular component to be detected with different drain-source voltages. The method according to the invention is very advantageous compared to current methods, especially cycles at temperature which require much longer response times.

本発明による方法を使用することによって、選択性は、単に異なるドレイン－ソース間電圧によって複数のセンサを制御することによって、または単に単一のセンサでこの電圧を駆動することによって１秒未満で達成することができる。この制御は、特に排気ガスを測定および制御する用途のために、ガスまたは液体の検出およびガスまたは液体の測定において選択的かつ非常に迅速な、高電子移動度トランジスタを有するセンサまたはセンサのアレイを得ることを可能にする。 By using the method according to the invention, selectivity is achieved in less than 1 second by simply controlling multiple sensors with different drain-source voltages or by simply driving this voltage with a single sensor. can do. This control provides a sensor or array of sensors with high electron mobility transistors that is selective and very rapid in gas or liquid detection and gas or liquid measurement, especially for exhaust gas measurement and control applications. allow you to get

この解決策の利点は、異なる成分間の選択性、応答時間の改善およびコストの削減である。 The advantages of this solution are selectivity between different components, improved response time and reduced cost.

有利には、前記少なくとも１つの特定の成分の強度プロファイル特性は、センサの電流強度の符号の反転を有する。 Advantageously, the intensity profile characteristic of said at least one particular component comprises a sign reversal of the current intensity of the sensor.

有利には、センサの同じトランジスタは、異なる特定の成分専用の異なる所定のモデルに連続的に従う。 Advantageously, the same transistor of the sensor continuously follows different predetermined models dedicated to different specific components.

有利には、所定の電圧モデルは、高周波電圧スケール上にある。 Advantageously, the predetermined voltage model is on the high frequency voltage scale.

有利には、検出または測定される成分は、一酸化窒素、二酸化窒素、アンモニア、一酸化炭素、二酸化炭素および酸素の中から個別にまたは組み合わせて採取され、これらの成分は、自動車の排気ラインによって排出されるガス中に含まれる。 Advantageously, the constituents to be detected or measured are taken individually or in combination from among nitrogen monoxide, nitrogen dioxide, ammonia, carbon monoxide, carbon dioxide and oxygen, and these constituents are passed through the exhaust line of a motor vehicle. Contained in exhaust gas.

本発明はまた、ソースと、ドレインとを備え、ゲートがソースとドレインとの間に挿入される高電子移動度トランジスタを有する少なくとも１つの収集セルを備えるセンサを洗浄するための方法に関し、センサは、ガス状または液体混合物中に存在するいくつかの成分の中から少なくとも１つの特定の成分を検出または測定するためのそのような方法に従って動作し、分極電圧は、ソース、ドレインおよびゲートのうちの要素の少なくとも２つの間に、またはソース、ドレインおよびゲートのうちの要素の２つの間に連続的に挿入された電極によって印加され、分極電圧または電極の電圧は、センサのゲートに保持された前記少なくとも１つの特定の成分からイオンを放出するために予め決定されることを特徴とする。 The invention also relates to a method for cleaning a sensor comprising at least one collection cell comprising a high electron mobility transistor comprising a source and a drain, the gate being interposed between the source and the drain, the sensor comprising , operating in accordance with such methods for detecting or measuring at least one specific component among several components present in a gaseous or liquid mixture, the polarization voltage being applied to one of the source, drain and gate. The polarizing voltage or voltage of the electrodes applied by an electrode continuously inserted between at least two of the elements or between two of the elements of the source, drain and gate is held at the gate of the sensor. It is characterized in that it is predetermined to release ions from at least one specific component.

電圧の印加は、感応面積の温度を上昇させ、感応面積によって捕捉されたガスイオンの放出を引き起こす。この表面の放出は、結合を破壊することによって、センサをその初期の状況に再生する。典型的には、高電子移動度トランジスタを有するセンサは、再生するために３００℃の温度上昇を必要とする。電圧を弱い面積、例えばゲートに印加することによって、この局所的な温度上昇は、センサ全体の温度を上昇させることなく十分となる。 Application of a voltage causes the temperature of the sensitive area to rise, causing the release of gas ions trapped by the sensitive area. This surface ejection restores the sensor to its initial state by breaking the bonds. Typically, sensors with high electron mobility transistors require a 300° C. temperature rise to regenerate. By applying a voltage to a weak area, such as the gate, this local temperature rise is sufficient without increasing the temperature of the entire sensor.

この新規な方法は、他のセンサが動作し続けている間に特定のセンサの再生を可能にするセンサのアレイの場合にセンサの迅速で目標とされた再生を可能にし、ガスの連続的な測定を保証する。 This novel method enables rapid, targeted regeneration of sensors in the case of an array of sensors that allows regeneration of specific sensors while other sensors continue to operate, and continuous Guaranteed measurement.

本発明は、ガス状または液体混合物中に存在するいくつかの成分の中から少なくとも１つの特定の成分を検出または測定するためのセンサに関し、センサは、ソースと、ドレインとを備え、ゲートがソースとドレインとの間に挿入される高電子移動度トランジスタを有する少なくとも１つの収集セルを備え、センサは、ソース－ドレイン間電圧を印加するための手段と、収集セルの電流強度を監視するための手段とを有するマイクロプロセッサを備え、マイクロプロセッサは、記憶手段によって保存された電圧モデルに従って電圧を駆動するための手段と、電圧モデルの印加中に電流強度を記録するための手段と、記憶手段によって保存された前記少なくとも１つの特定の成分の強度プロファイル特性を認識するための手段とを備えることを特徴とする。 The present invention relates to a sensor for detecting or measuring at least one specific component among several components present in a gaseous or liquid mixture, the sensor comprising a source, a drain and a gate comprising a source. The sensor comprises at least one collection cell having a high electron mobility transistor interposed between the and the drain, the sensor having means for applying a source-drain voltage and for monitoring the current strength of the collection cell. means for driving a voltage according to a voltage model stored by the storage means; means for recording current strength during application of the voltage model; and means for recognizing the stored intensity profile characteristics of said at least one particular component.

有利には、センサは、ソース、ドレインおよびゲートのうちの要素の少なくとも２つの間に再生電圧を印加するための手段、またはソース、ドレインおよびゲートのうちの要素の２つの間に連続して延びる連続スロットの形態の電極と、再生電圧を電極に印加するための手段とを備え、再生電圧は、前記少なくとも１つの特定の成分からのセンサによって保持されたイオンの放出によってセンサの再生を行うのに十分である。 Advantageously, the sensor has means for applying a regeneration voltage between at least two of the elements of the source, drain and gate, or extends continuously between two of the elements of the source, drain and gate. electrodes in the form of continuous slots and means for applying a regeneration voltage to the electrodes, the regeneration voltage effecting regeneration of the sensor by ejection of ions retained by the sensor from said at least one particular component. is sufficient for

本発明は、少なくとも２つの検出または測定センサのアセンブリに関し、各センサは、ガス状または液体混合物中に存在するそれぞれの特定の成分を検出し、前記少なくとも２つのセンサは、前述のとおりであり、前記少なくとも２つのセンサの各々は、前記少なくとも１つの特定の成分の記憶された電圧駆動モデルおよび記憶された強度プロファイル特性を有し、それぞれの成分の選択的検出は、前記少なくとも２つのセンサの各々によって行われることを特徴とする。 The present invention relates to an assembly of at least two detection or measurement sensors, each sensor detecting a respective specific component present in a gaseous or liquid mixture, said at least two sensors being as described above, Each of the at least two sensors has a stored voltage-driven model and a stored intensity profile characteristic of the at least one particular component, and selective detection of the respective component is performed by each of the at least two sensors. characterized by being performed by

本発明は、自動車内燃機関の排気ラインに関し、そのようなセンサまたは少なくとも２つの検出または測定センサのそのようなアセンブリを備え、ガス状または液体混合物は、排気ラインを通過する排気ガスによって形成され、前記少なくとも１つの特定の成分または前記少なくとも２つの特定の成分は、それぞれ排気ガス中に含まれる１つまたは複数の汚染物質であることを特徴とする。 The present invention relates to an exhaust line of a motor vehicle internal combustion engine, comprising such a sensor or such an assembly of at least two detection or measurement sensors, a gaseous or liquid mixture being formed by the exhaust gas passing through the exhaust line, Said at least one specific component or said at least two specific components are each one or more pollutants contained in the exhaust gas.

本発明の他の特徴、目的および利点は、以下の詳細な説明を読み、非限定的な例として与えられている添付の図面に照らして明らかになるであろう。
図１は、高電子移動度トランジスタを備える収集セルを有する、本発明によるセンサの一実施形態の概略図である。
図２は、一酸化窒素ＮＯ、二酸化窒素ＮＯ２およびアンモニアＮＨ３などの異なる成分の電圧の関数としての電流強度曲線を示す図である。
図３および図３ａは、時間の関数としてそれぞれ２ボルトおよび７ボルトの電圧について、二酸化窒素を検出するための測定電圧を示す図である。
図４ａ、図４ｂおよび図４ｃは、それぞれ２、５および７ボルトの異なる電圧について、一酸化窒素に対する分単位の応答時間の関数としてのミリアンペア単位の電流曲線を示す図である。
図５および図５ａは、再生電極を使用したセンサの有効面積の、本発明の文脈における好ましい再生を示す図である。
図６は、図５および図５ａのものの代替のセンサの有効面積の、再生電圧によって生成される本発明の文脈における好ましい再生を示す図である。
図７は、水素およびアンモニアの形態の成分について本発明によるセンサのゲートの白金層の厚さの関数として得られた、これらの２つの要素に対するセンサの感度を表す２つの電圧曲線を示す図である。
図８は、本発明によるセンサのゲートを形成する白金層のいくつかの形態を示す図である。 Other features, objects and advantages of the invention will become apparent on reading the following detailed description and in light of the accompanying drawings given as non-limiting examples.
FIG. 1 is a schematic diagram of one embodiment of a sensor according to the invention having a collection cell comprising a high electron mobility transistor.
Figure 2 shows the current intensity curves as a function of voltage for different components such as nitric oxide NO, nitrogen dioxide NO2 and ammonia NH3 .
Figures 3 and 3a show the measured voltage for detecting nitrogen dioxide as a function of time for voltages of 2 and 7 volts respectively.
Figures 4a, 4b and 4c show current curves in milliamps as a function of response time in minutes to nitric oxide for different voltages of 2, 5 and 7 volts respectively.
Figures 5 and 5a show the preferred regeneration in the context of the present invention of the effective area of the sensor using regeneration electrodes.
Figure 6 shows a preferred regeneration in the context of the present invention generated by regeneration voltages of the effective area of an alternative sensor to that of Figures 5 and 5a.
FIG. 7 shows two voltage curves representing the sensitivity of the sensor to these two elements obtained as a function of the platinum layer thickness of the gate of the sensor according to the invention for the components in the form of hydrogen and ammonia. be.
FIG. 8 shows several forms of the platinum layer forming the gate of the sensor according to the invention.

図は例として示されており、本発明を限定するものではないことに留意されたい。それらは、本発明の理解を容易にすることを意図した概略図を構成しており、必ずしも実際の用途の規模ではない。特に、示されている様々な要素の寸法は、現実を表すものではない。 It should be noted that the figures are given by way of example and do not limit the invention. They constitute schematic illustrations intended to facilitate understanding of the invention and are not necessarily to scale for practical applications. In particular, the dimensions of the various elements shown are not representative of reality.

以下、すべての図を組み合わせて参照する。１つまたは複数の特定の図を参照するとき、これらの図は、示されている参照番号を認識するために他の図と組み合わせて解釈される。 All figures are combined and referred to below. When referring to one or more particular figures, those figures should be read in combination with the other figures to recognize the reference numerals shown.

すべての図、特に図１を参照すると、本発明は、ガス状または液体混合物中に存在する少なくとも１つの特定の成分を検出または測定するためのセンサ１に関する。センサ１は、ソース２と、ドレイン３とを備え、ゲート４がソース２とドレイン３との間に挿入される高電子移動度トランジスタを有する少なくとも１つの収集セルを備える。 With reference to all figures, and in particular FIG. 1, the present invention relates to a sensor 1 for detecting or measuring at least one specific constituent present in gaseous or liquid mixtures. The sensor 1 comprises at least one collection cell comprising a high electron mobility transistor comprising a source 2 and a drain 3 with a gate 4 interposed between the source 2 and the drain 3 .

高電子移動度トランジスタは、２つの対向する側方端部でドレイン３およびソース２を支持する。一実施形態では、ソース２とドレイン３との間に、ナノ構造ＩＩＩ－Ｎ半導体層５と、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層６または活性静電相互作用層とが延びており、半導体層５は、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層６の上に重ねられている。Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層６は、ＧａＮ層７の上に重ねられる。 A high electron mobility transistor supports a drain 3 and a source 2 at two opposite lateral ends. In one embodiment, extending between the source 2 and the drain 3 is a nanostructured III-N semiconductor layer 5 and an Al 0.3 Ga 0.7 N layer 6 or active electrostatic interaction layer, the semiconductor Layer 5 is superimposed on Al 0.3 Ga 0.7 N layer 6 . An Al 0.3 Ga 0.7 N layer 6 is superimposed on the GaN layer 7 .

ナノ構造ＩＩＩ－Ｎ半導体層５は、電位差を生じさせることによって、検出または測定される成分（単数または複数）のイオン、例えば窒素酸化物ＮＯｘまたは酸素Ｏ２に対する解離酸素陰イオンＯ２－のための入力ゲートを形成する層４または層を支持する。入力ゲートを形成するこの層４またはこれらの層は、有利には、酸化物層１０で被覆されており、白金またはタングステンとすることができる。 The nanostructured III-N semiconductor layer 5 is for dissociated oxygen anions O 2− to the ions of the component(s) to be detected or measured, such as nitrogen oxides NOx or oxygen O 2 , by creating a potential difference. layer 4 or layers forming the input gates of . This layer 4 or these layers forming the input gate are advantageously covered with an oxide layer 10 and can be platinum or tungsten.

Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層６の下には、ソース２とドレイン３とを接続するチャネルが延びており、チャネル自体は、ＧａＮ層７の上に重ねられ、絶縁基板として作用する。図５では、サファイア層１１が、ＧａＮ層７の下に設けられる。 Below the Al 0.3 Ga 0.7 N layer 6 extends a channel connecting the source 2 and the drain 3, the channel itself being overlaid on the GaN layer 7 and acting as an insulating substrate. In FIG. 5 a sapphire layer 11 is provided below the GaN layer 7 .

センサ１は、ソース２とドレイン３との間に電圧を印加するための手段と、収集セルの電流強度Ｉｍｅａｓを監視するための手段とを有するマイクロプロセッサを備える。本発明によれば、マイクロプロセッサは、記憶手段によって保存された電圧モデルに従った電圧駆動手段と、電圧モデルの印加中に電流強度Ｉｍｅａｓを記録するための手段と、記憶手段によって保存された前記少なくとも１つの特定の成分の強度プロファイル特性を認識するための手段とを備える。 The sensor 1 comprises a microprocessor with means for applying a voltage between source 2 and drain 3 and means for monitoring the current intensity Imeas of the collection cell. According to the invention, the microprocessor comprises voltage driving means according to the voltage model stored by the storage means, means for recording the current intensity Imeas during application of the voltage model, and said and means for recognizing intensity profile characteristics of at least one particular component.

本発明はまた、前述のように、センサ１によってガス状または液体混合物中に存在するいくつかの成分の中から少なくとも１つの特定の成分を検出または測定するための方法に関する。電圧がソース２とドレイン３との間に印加され、収集セルの電流強度Ｉｍｅａｓが記録される。 The invention also relates to a method for detecting or measuring at least one specific component among several components present in a gaseous or liquid mixture by means of the sensor 1, as described above. A voltage is applied between source 2 and drain 3 and the current intensity Imeas of the collection cell is recorded.

本発明によれば、ソース２－ドレイン３間電圧が駆動されて電流強度Ｉｍｅａｓを変化させ、電圧は、前記少なくとも１つの特定の成分の強度プロファイル特性を供給するために実験によって予め決定された電圧モデルに従って駆動される。 According to the invention, the source 2-drain 3 voltage is driven to vary the current intensity Imeas, the voltage being predetermined by experiment to provide the intensity profile characteristic of said at least one particular component. Driven according to the model.

センサ１の同じトランジスタは、異なる特定の成分専用の異なる所定のモデルに連続的に従うことができ、したがってこれは、ソース２とドレイン３との間に印加される電圧、すなわち電圧モデルの所定の発生の対象であった電圧を変えることによって可能である。この所定の電圧モデルは、高周波電圧スケールであり得る。 The same transistor of sensor 1 can successively follow different pre-determined models dedicated to different specific components, and thus this is the voltage applied between source 2 and drain 3, i.e. the pre-determined generation of the voltage model It is possible by changing the voltage that was the subject of . This predetermined voltage model may be a high frequency voltage scale.

本発明の好ましいが非限定的な用途は、個別にまたは組み合わせて採取される、以下の成分を検出または測定するためのものである：一酸化窒素ＮＯ、二酸化窒素ＮＯ２、アンモニアＮＨ３、一酸化炭素ＣＯ、二酸化炭素ＣＯ２および酸素Ｏ２。これらの成分は、非限定的なものであり、自動車の排気ラインによって排出されるガス中の主な含有物である。 A preferred but non-limiting application of the present invention is for detecting or measuring the following components taken individually or in combination: nitric oxide NO, nitrogen dioxide NO2 , ammonia NH3 , Carbon oxides CO, carbon dioxide CO2 and oxygen O2 . These constituents are non-limiting and are the major constituents in the gases emitted by the exhaust lines of automobiles.

図２は、１５ｐｐｍおよび３００℃の温度での、窒素酸化物ＮＯ、二酸化窒素ＮＯ２およびアンモニアＮＨ３などの異なる成分のボルト単位の電圧の関数としての、ミリアンペア単位の電流強度Ｉｍｅａｓ曲線を示す。 Figure 2 shows current intensity Imeas curves in milliamperes as a function of voltage in volts for different components such as nitrogen oxides NO, nitrogen dioxide NO2 and ammonia NH3 at a temperature of 15 ppm and 300 °C.

前記少なくとも１つの特定の成分の強度プロファイル特性は、センサ１の電流強度Ｉｍｅａｓの符号の反転を有することができる。これは、例えば自動車の排気ラインの一酸化窒素またはＮＯであるガス状成分の検出の場合である。高電子移動度トランジスタを有するセンサ１の構造において、ＮＯに対する信号電流は方向を変えるが、この信号変化は、ＮＯの存在下でのみ起こり、二酸化窒素ＮＯ２またはアンモニアＮＨ３の存在下では起こらない。 The intensity profile characteristic of said at least one particular component may comprise a reversal of the sign of the sensor 1 current intensity Imeas. This is the case, for example, in the detection of gaseous constituents such as nitric oxide or NO in the exhaust line of a motor vehicle. In the structure of sensor 1 with high electron mobility transistors, the signal current for NO changes direction, but this signal change only occurs in the presence of NO and not in the presence of nitrogen dioxide NO2 or ammonia NH3 . .

図３および図３ａは、分単位の時間ｔの関数としてそれぞれ２ボルトおよび７ボルトの電圧について、二酸化窒素ＮＯ２を検出するためのミリアンペアｍＡで測定された電流を示す。これらの図３および図３ａは、分単位の時間ｔの関数としてそれぞれ２、５および７ボルトの異なる電圧について、センサが一酸化窒素にさらされたときに一酸化窒素ＮＯを検出するためのミリアンペアｍＡで測定された電流に関して図４ａ、図４ｂおよび図４ｃと比較され、電流の最大の変動は、２ボルトで起こる突然の下降の形である。図３または図３ａにおけるＮＯ２の存在下でのセンサの場合とは異なり、一酸化窒素ＮＯの発生は、分極電圧に大きく依存することが分かる。分極が２～７ボルトを通過するとき、下降から上昇に移る発生の反転が観察される。 Figures 3 and 3a show the measured current in milliampere mA for detecting nitrogen dioxide NO2 for voltages of 2 and 7 volts respectively as a function of time t in minutes. These FIGS. 3 and 3a show the milliamperes for detecting nitric oxide NO when the sensor is exposed to nitric oxide for different voltages of 2, 5 and 7 volts respectively as a function of time t in minutes. 4a, 4b and 4c for current measured in mA, the largest variation in current is in the form of a sudden drop that occurs at 2 volts. It can be seen that the generation of nitric oxide NO is highly dependent on the polarization voltage, unlike the case of the sensor in the presence of NO2 in Fig. 3 or Fig. 3a. When the polarization passes 2-7 volts, a reversal of occurrence is observed, going from falling to rising.

したがって、ＮＯ信号の符号の変化は、ドレイン３とソース２とゲート４との間に異なる電圧を印加することによって得られる。これは、化学的表面の反応を変えることを可能にする。電圧モデルは、個別に採取された成分において具体的に様々な成分について生成することができ、そのようなモデルの生成は、センサ１の電流強度を増大させることによって成分の正確な検出および測定をもたらすことができることが確立された。 A change in the sign of the NO signal is thus obtained by applying different voltages between the drain 3 , the source 2 and the gate 4 . This makes it possible to alter the reaction of the chemical surface. Voltage models can be generated for various components specifically in the individually sampled components, and generation of such models enables accurate detection and measurement of the components by increasing the current intensity of the sensor 1. It was established that the

存在する異なるガス、例えば自動車の排気ガス中の成分の場合にはＮＯ２、ＮＨ３、ＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２などに対するセンサ１の選択性を改善するために、ＮＯ信号の符号変化を使用することが可能である。 The sign change of the NO signal is used to improve the selectivity of the sensor 1 for different gases present, such as NO 2 , NH 3 , CO, CO 2 , O 2 in the case of components in automobile exhaust gases. It is possible to

本発明はまた、少なくとも２つの検出または測定センサ１のアセンブリに関する。各センサ１は、ガス状または液体混合物中に存在するそれぞれの特定の成分を検出する。２つのセンサ１は、前述のとおりにすることができ、前記少なくとも２つのセンサ１の各々は、前記少なくとも１つの特定の成分の記憶された駆動電圧モデルおよび記憶された強度プロファイル特性を有し、それぞれの成分の選択的検出は、前記少なくとも２つのセンサ１の各々によって行われる。 The invention also relates to an assembly of at least two detection or measurement sensors 1 . Each sensor 1 detects a respective specific component present in a gaseous or liquid mixture. the two sensors 1 may be as described above, each of said at least two sensors 1 having a stored driving voltage model and a stored intensity profile characteristic of said at least one particular component; Selective detection of the respective component is performed by each of said at least two sensors 1 .

そのようなセンサ１は、その接触表面、特にそのゲート４、またはゲート４を覆う酸化物層１０への成分の粒子の堆積によって汚染されるという不都合を有する。ガス状または液体混合物中に存在するいくつかの成分の中から少なくとも１つの特定の成分を検出または測定するための前述の方法の文脈では、高電子移動度トランジスタを有するセンサ１を洗浄する方法を実施することができる。 Such a sensor 1 has the disadvantage of being contaminated by the deposition of particles of constituents on its contact surfaces, in particular on its gate 4 or on the oxide layer 10 covering the gate 4 . In the context of the aforementioned method for detecting or measuring at least one specific component among several components present in a gaseous or liquid mixture, the method for cleaning the sensor 1 with high electron mobility transistors is can be implemented.

本発明による再生プロセスの第１の実施形態によれば、分極電圧は、ソース２、ドレイン３およびゲート４のうちの要素の２つの間に連続的に挿入された電極９によって印加され、電極９の電圧は、センサ１によってゲート４に保持された前記少なくとも１つの特定の成分のイオンを放出するために予め決定される。これは、電極９について図５および図５ａに示されている。 According to a first embodiment of the regeneration process according to the invention, the polarizing voltage is applied by means of electrodes 9 inserted successively between two of the elements of the source 2, drain 3 and gate 4, the electrodes 9 is predetermined to release the at least one specific constituent ion held by the sensor 1 at the gate 4 . This is shown for electrode 9 in FIGS. 5 and 5a.

本発明による再生プロセスの第２の実施形態によれば、分極電圧は、ソース２、ドレイン３およびゲート４のうちの要素の２つの間に印加され、分極電圧は、センサ１によって保持された前記少なくとも１つの特定の成分のイオンを放出するために予め決定される。これは、図６に示されている。 According to a second embodiment of the regeneration process according to the invention, a polarizing voltage is applied between two of the elements of source 2, drain 3 and gate 4, the polarizing voltage being said It is predetermined to release ions of at least one specific component. This is illustrated in FIG.

図５、図５ａおよび図６において、Ｖ＋およびＭａｓｓは、再生回路の極を示す。センサ１の基部には、補助再生回路８ａが存在し得る。 5, 5a and 6, V+ and Mass indicate the poles of the regenerative circuit. At the base of the sensor 1 there may be an auxiliary regeneration circuit 8a.

特に図１を参照すると、ゲート４は、有利には、酸化物層１０で被覆された白金またはタングステンから作られた本体を備える。高電子移動度トランジスタを有するセンサ１は、ゲート４の厚さ、その材料およびその形態の関数である多数の異なる検出機構を有することができる。 Referring specifically to FIG. 1, gate 4 advantageously comprises a body made of platinum or tungsten coated with oxide layer 10 . A sensor 1 with a high electron mobility transistor can have a number of different detection mechanisms that are a function of the thickness of the gate 4, its material and its morphology.

例えば、ＮＯ２とＮＯ／ＮＨ３との間の選択性を示す図２の曲線は、ショットキーダイオードセンサのＢＧａＮ／ＧａＮ接点上の微細白金層を使用して得られたものである。 For example, the curves in Figure 2 showing selectivity between NO2 and NO/ NH3 were obtained using a fine platinum layer on the BGaN/GaN contact of a Schottky diode sensor.

ゲート４を形成する白金層の厚さは、微粒子がＢＧａＮ表面の成長プロセス中に形成される場合に白金層の細孔の存在を排除するために、１００ｎｍとすることができる。ゲート４の層の厚さは、感度に重大な影響を及ぼし、ＮＯ、ＮＯ２、ＮＨ３について１００ｎｍの白金層に対して０％、一方で１５ｎｍの白金層に対して２０％である。 The thickness of the platinum layer forming the gate 4 can be 100 nm to eliminate the presence of pores in the platinum layer when particles are formed during the growth process of the BGaN surface. The layer thickness of the gate 4 has a significant effect on the sensitivity and is 0% for NO, NO2 , NH3 for a 100 nm platinum layer while 20% for a 15 nm platinum layer.

ＮＨ３またはＮＨ３信号の存在による測定信号は、符号を変え、ゲート４の形態および厚さに対する変更を実施することによって反転させることができることも注目されてきた。 It has also been noted that the measured signal due to the presence of NH 3 or NH 3 signals can be reversed by changing sign and implementing changes to gate 4 geometry and thickness.

図７は、キャリアガスとしてアルゴン中の２０％の酸素を用いて１５０℃で水素Ｈ２およびアンモニアＮＨ３についての、ナノメートルｎｍでのゲート４の白金層の厚さに対するミリボルトｍＶでの２つの電圧曲線を示す。センサの感度は電圧の関数であるため、図７では、感度がゲート４の厚さに依存していることが分かる。 FIG. 7 shows two voltages in millivolts mV versus the thickness of the platinum layer of gate 4 in nanometers nm for hydrogen H2 and ammonia NH3 at 150° C. using 20% oxygen in argon as carrier gas. curve. Since the sensitivity of the sensor is a function of voltage, it can be seen in FIG. 7 that the sensitivity depends on the thickness of the gate 4 .

図８は、ゲート４を製造するための方法によるゲート４の異なる形態を示す。白金層の形態のゲート４は、図８のｄで参照される蒸着によって、ｂで参照される第１の圧力での噴霧によって、ｃで参照される第２の圧力での噴霧によって、またはナノピラーもしくは他の幾何学的構造でのマスキングによる白金を堆積を伴うａで参照される酸化物層で被覆することによって得ることができる。 FIG. 8 shows different forms of gate 4 according to the method for manufacturing gate 4 . A gate 4 in the form of a platinum layer is formed by vapor deposition, referenced in FIG. Or it can be obtained by coating the platinum by masking with other geometries with the oxide layer referenced a with deposition.

これらの修正は、感度および選択性を改善するために、高電子移動度トランジスタを有するセンサ１のすべての構造またはショットキーダイオードの形態のゲート４に適用することができる。 These modifications can be applied to all structures of the sensor 1 with high electron mobility transistors or gates 4 in the form of Schottky diodes to improve sensitivity and selectivity.

本発明は、説明され図示された実施形態に決して限定されず、それらは単に例として与えられたものである。
The invention is in no way limited to the described and illustrated embodiments, which are given as examples only.

Claims (10)

ソース（２）と、ドレイン（３）とを備え、ゲート（４）がソース（２）とドレイン（３）との間に挿入される高電子移動度トランジスタを有する少なくとも１つの収集セルを備えるセンサ（１）によってガス状または液体混合物中に存在するいくつかの成分の中から少なくとも１つの特定の成分を検出または測定する方法であって、ドレイン（３）－ソース（２）間電圧が印加され、前記収集セルの電流強度（Ｉｍｅａｓ）が記録され、前記ソース（２）－ドレイン（３）間電圧の駆動は前記電流強度（Ｉｍｅａｓ）を変化させ、前記電圧は、前記少なくとも１つの特定の成分の特性である強度を有するプロファイルを供給するために実験によって予め決定された電圧モデルに従って、異なる電圧について、駆動されることを特徴とする、方法。 Sensor comprising at least one collection cell comprising a high electron mobility transistor comprising a source (2) and a drain (3) with a gate (4) interposed between the source (2) and the drain (3) A method for detecting or measuring at least one specific component among several components present in a gaseous or liquid mixture according to (1), wherein a drain (3)-source (2) voltage is applied. , the current intensity (Imeas) of said collection cell is recorded, and driving said source (2)-drain (3) voltage changes said current intensity (Imeas), said voltage being controlled by said at least one specific component is driven for different voltages according to an experimentally predetermined voltage model to provide a profile having an intensity characteristic of . 前記少なくとも１つの特定の成分の特性である強度を有する前記プロファイルが、前記センサ（１）の前記電流強度（Ｉｍｅａｓ）の符号の反転を有する、請求項１に記載の方法。 Method according to claim 1, wherein said profile with an intensity characteristic of said at least one particular component comprises a sign reversal of said current intensity (Imeas) of said sensor (1). 前記センサ（１）の前記同じトランジスタが、異なる特定の成分専用の異なる予め決定された電圧モデルに連続的に従う、請求項１または２に記載の方法。 3. A method according to claim 1 or 2, wherein said same transistor of said sensor (1) successively follows different predetermined voltage models dedicated to different specific components. 前記予め決定された電圧モデルが、高周波電圧スケール上にある、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。 A method according to any one of claims 1 to 3, wherein said predetermined voltage model is on a high frequency voltage scale. 検出または測定される前記成分が、一酸化窒素、二酸化窒素、アンモニア、一酸化炭素、二酸化炭素および酸素の中から個別にまたは組み合わせて採取され、これらの成分が、自動車の排気ラインによって排出されるガス中に含まれる、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。 The constituents to be detected or measured are taken individually or in combination from among nitrogen monoxide, nitrogen dioxide, ammonia, carbon monoxide, carbon dioxide and oxygen, and these constituents are discharged through the exhaust line of the automobile. A method according to any one of claims 1 to 4, contained in a gas. ソース（２）と、ドレイン（３）とを備え、ゲート（４）が前記ソース（２）と前記ドレイン（３）との間に挿入される高電子移動度トランジスタを有する少なくとも１つの収集セルを備えるセンサ（１）を洗浄するための方法であって、前記センサ（１）は、請求項１～５のいずれか一項に記載の、ガス状または液体混合物中に存在するいくつかの成分に特有の少なくとも１つの成分を検出または測定するための方法に従って動作し、分極電圧は、前記ソース（２）、前記ドレイン（３）および前記ゲート（４）のうちの要素の少なくとも２つの間に、または前記ソース（２）、前記ドレイン（３）および前記ゲート（４）のうちの要素の２つの間に連続的に挿入された電極（９）によって印加され、前記分極電圧または前記電極（９）の前記電圧は、前記センサ（１）の前記ゲート（４）に保持された前記少なくとも１つの特定の成分のイオンを放出するために予め決定されることを特徴とする、方法。 at least one collection cell comprising a high electron mobility transistor comprising a source (2) and a drain (3) with a gate (4) interposed between said source (2) and said drain (3) A method for cleaning a sensor (1) comprising a operating according to a method for detecting or measuring a characteristic at least one component, wherein a polarizing voltage is applied between at least two of said source (2), said drain (3) and said gate (4) elements to: or said polarizing voltage or said electrode (9) applied by an electrode (9) inserted successively between two of said source (2), said drain (3) and said gate (4) elements; is predetermined to release ions of said at least one specific constituent held in said gate (4) of said sensor (1). ガス状または液体混合物中に存在するいくつかの成分の中から少なくとも１つの特定の成分を検出または測定するためのセンサ（１）であって、前記センサ（１）は、ソース（２）と、ドレイン（３）とを備え、ゲート（４）が前記ソース（２）と前記ドレイン（３）との間に挿入される高電子移動度トランジスタを有する少なくとも１つの収集セルを備え、前記センサ（１）は、前記ソース（２）と前記ドレイン（３）との間に電圧を印加するための手段と、前記収集セルの電流強度（Ｉｍｅａｓ）を監視するための手段とを有するマイクロプロセッサを備え、前記マイクロプロセッサは、記憶手段によって保存された電圧モデルに従った電圧駆動手段と、異なる電圧について前記電圧モデルの印加中に前記電流強度（Ｉｍｅａｓ）を記録するための手段と、前記記憶手段によって保存された前記少なくとも１つの特定の成分の強度プロファイル特性を認識するための手段とを備えることを特徴とする、センサ。 A sensor (1) for detecting or measuring at least one specific component among several components present in a gaseous or liquid mixture, said sensor (1) comprising a source (2), at least one collection cell comprising a high electron mobility transistor with a gate (4) interposed between said source (2) and said drain (3); ) comprises a microprocessor having means for applying a voltage between said source (2) and said drain (3) and means for monitoring the current intensity (Imeas) of said collection cell, said microprocessor comprises voltage driving means according to a voltage model stored by a storage means; means for recording said current intensity (Imeas) during application of said voltage model for different voltages; and means for recognizing the intensity profile characteristics of said at least one particular component. 前記ソース（２）、前記ドレイン（３）および前記ゲート（４）のうちの要素の少なくとも２つの間に再生電圧を適用するための手段、または前記ソース（２）、前記ドレイン（３）および前記ゲート（４）のうちの要素の２つの間に連続して延びる連続スロットの形態の電極（９）と、再生電圧を前記電極（９）に適用するための手段とを備え、前記再生電圧は、前記センサ（１）によって保持された前記少なくとも１つの特定の成分のイオンを放出することによって前記センサ（１）の再生を行うのに十分である、請求項７に記載のセンサ。 means for applying a regeneration voltage across at least two of the elements of said source (2), said drain (3) and said gate (4), or said source (2), said drain (3) and said an electrode (9) in the form of a continuous slot extending continuously between two of the elements of the gate (4); and means for applying a regeneration voltage to said electrode (9), said regeneration voltage being 8. A sensor according to claim 7, which is sufficient to effect regeneration of said sensor (1) by releasing ions of said at least one specific constituent retained by said sensor (1). 少なくとも２つの検出または測定センサ（１）のアセンブリであって、各センサ（１）は、ガス状または液体混合物中に存在するそれぞれの特定の成分を検出し、前記少なくとも２つのセンサ（１）は、請求項７または８に記載のとおりであり、前記少なくとも２つのセンサ（１）の各々は、前記少なくとも１つの特定の成分の特性である記憶された電圧駆動モデルおよび記憶された強度プロファイルを有し、それぞれの成分の選択的検出は、前記少なくとも２つのセンサ（１）の各々によって行われることを特徴とする、アセンブリ。 An assembly of at least two detection or measurement sensors (1), each sensor (1) detecting a respective specific component present in a gaseous or liquid mixture, said at least two sensors (1) , claim 7 or 8, wherein each of said at least two sensors (1) has a stored voltage drive model and a stored intensity profile characteristic of said at least one particular component. and selective detection of the respective component is performed by each of said at least two sensors (1). 自動車の内燃機関の排気ラインであって、請求項７または８に記載の少なくとも１つのセンサ（１）または請求項９に記載の少なくとも２つの検出または測定センサ（１）の少なくとも１つのアセンブリを備え、前記ガス状または液体混合物は、前記排気ラインを通過する排気ガスによって形成され、前記少なくとも１つの特定の成分または少なくとも２つの特定の成分は、それぞれ前記排気ガス中に含まれる１つまたは複数の汚染物質であることを特徴とする、排気ライン。 An exhaust line of an internal combustion engine of a motor vehicle, comprising at least one sensor (1) according to claim 7 or 8 or at least one assembly of at least two detection or measurement sensors (1) according to claim 9 , said gaseous or liquid mixture is formed by exhaust gas passing through said exhaust line, said at least one specific component or at least two specific components, respectively, being one contained in said exhaust gas; or a plurality of contaminants.
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